發(fā)布時間：2022-01-04 00:53

　　與傳統(tǒng)的電學(xué)傳感器相比,光纖傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、抗電磁干擾以及耐腐蝕等優(yōu)點,近年來得到了研究者們的廣泛關(guān)注。隨著材料科學(xué)與先進加工工藝的發(fā)展,出現(xiàn)了各種光纖傳感器制備方法,例如飛秒激光加工、離子束刻蝕和高溫電弧放電等,其中利用電弧放電法制備光纖馬赫-曾德爾干涉儀等傳感器,由于其操作簡單、成本低等優(yōu)勢吸引了較多關(guān)注�；隈R赫-曾德爾干涉儀原理的光纖螺旋錐結(jié)構(gòu),作為一種新型扭轉(zhuǎn)傳感器已經(jīng)成為一個研究熱點。本論文對基于螺旋錐結(jié)構(gòu)的馬赫-曾德爾干涉儀光纖傳感器進行詳細探索,研究其制備方法及扭轉(zhuǎn)、溫度、應(yīng)變和折射率等傳感特性。首先,利用熔接機電弧放電方法在熊貓光纖上制備螺旋錐結(jié)構(gòu)。采用電弧放電結(jié)合旋轉(zhuǎn)一端光纖的方法制備螺旋錐結(jié)構(gòu),通過優(yōu)化放電時間和光纖夾具旋轉(zhuǎn)角度等參數(shù),得到最優(yōu)的制備參數(shù):（第二階段）放電時間是7 s,夾具旋轉(zhuǎn)角度為360^°。并對所制備的光纖螺旋錐結(jié)構(gòu)進行扭轉(zhuǎn)、溫度和應(yīng)變傳感測試。實驗結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的扭轉(zhuǎn)特性,靈敏度約比其他光纖扭轉(zhuǎn)傳感器高一個數(shù)量級,達到-3.191nm/（rad/m）,并且可分辨扭轉(zhuǎn)的方向（順時針/逆時針）;進一步研究發(fā)... 

【文章來源】：吉林大學(xué)吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：87 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

基于微機械諧振器的光纖壓力傳感器原理圖[36]

吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文6生改變，則會使光纖干涉儀的長度或有效折射率發(fā)生變化，進而導(dǎo)致干涉光譜的波長產(chǎn)生漂移或者使光譜強度改變。通過光譜分析儀實時監(jiān)測光譜波長或強度值，即可得出外界物理量的變化值。圖1.2光纖馬赫-曾德爾干涉儀傳感原理示意圖1.2.2幾種常見的馬赫-曾德爾干涉儀傳感結(jié)構(gòu)近年來，基于馬赫-曾德爾干涉儀的光纖傳感結(jié)構(gòu)日益增多，常見的主要有以下幾種類型：不同類型光纖的級聯(lián)，長周期光纖光柵（LPFG）、光纖布拉格光柵（FBG）、纖芯錯位結(jié)構(gòu)、光纖錐結(jié)構(gòu)和S型光纖錐結(jié)構(gòu)等的各種級聯(lián)組合等。由于馬赫-曾德爾干涉儀其制備過程簡單、靈敏度高等優(yōu)點，吸引了人們的廣泛關(guān)注，下面將詳細列舉一些基于上述傳感結(jié)構(gòu)級聯(lián)構(gòu)成的光纖馬赫-曾德爾干涉儀。（1）不同類型光纖的級聯(lián)如圖1.3所示是由不同類型光纖級聯(lián)組成的馬赫-曾德爾干涉儀，其中圖(a)[54]是基于細芯光纖(TCF)和光子晶體光纖(PCF)級聯(lián)的傳感結(jié)構(gòu)，圖(a)中的紅色和綠色箭頭清楚地標示了入射光在該傳感器中的傳輸路徑。首先由于纖芯直徑的不匹配，光由單模光纖(SMF)傳輸至TCF時，在纖芯中傳輸?shù)墓庥幸徊糠直获詈系桨鼘�。當繼續(xù)傳輸至PCF時，部分入射光沿著PCF的空氣間隙傳輸，之后匯合并發(fā)生干涉。文獻[54]通過在兩個單模光纖(SMFs)之間連接相同長度的TCF和PCF，制備了一種基于馬赫-曾德爾干涉儀的新型的高靈敏度應(yīng)變傳感器。該傳感器具有優(yōu)越的應(yīng)變傳感性能，其透射光譜在空氣中的消光比可以達到20dB，并且在0~4000的應(yīng)變范圍內(nèi)，其靈敏度達到-1.95pm/。此外，進一步的研究發(fā)現(xiàn)，該應(yīng)變傳感器的靈敏度與馬赫-曾德爾干涉儀的長度密切相關(guān)，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)長度，可以進一步提高其傳感靈敏度。如圖(b)所示[55]，該文獻提出了一種基于波長解調(diào)的超高靈敏度光纖液

第1章緒論7光纖(SMF)上刻寫光纖布拉格光柵(FBG)。該馬赫-曾德爾干涉儀的傳感原理是基于纖芯失配和有效折射率不同的模態(tài)。實驗結(jié)果表明，該傳感器的液位靈敏度為1.145nm/mm，線性度可達0.996。另外，通過進一步級聯(lián)FBG，可以實現(xiàn)傳感器的動態(tài)溫度補償，進行液位微小變化的實時智能監(jiān)測。圖1.3(a)基于TCF-PCF結(jié)構(gòu)的馬赫-曾德爾干涉儀[54]；(b)基于MMF-HCF-FBG結(jié)構(gòu)的馬赫-曾德爾干涉儀[55]（2）光纖錐和光纖錐級聯(lián)如圖1.4所示，在單模光纖上分別制備光纖凸錐和光纖凹錐結(jié)構(gòu)，組成馬赫-曾德爾干涉儀。圖(a)所示結(jié)構(gòu)[56]是最常見的馬赫-曾德爾干涉儀之一，利用電弧放電的方法，間隔一段距離，在單模光纖上制備兩個光纖錐結(jié)構(gòu)。其中，兩個光纖凹錐的長度和直徑分別為707和40，所制備三個干涉儀的長度分別是24、36和55mm。除此之外，圖(a)中的兩個光纖錐分別相當于圖1.2中的耦合器1和耦合器2，起到分束和合束的作用。而相比于圖(a)，文獻[57]中圖(b)所示的結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜，但兩者的傳感原理相同。并且基于圖(b)結(jié)構(gòu)的光纖傳感器可以同時測量折射率、應(yīng)變和溫度等，其折射率靈敏度為131.93nm/RIU、應(yīng)變靈敏度是0.0007nm/、溫度靈敏度是0.0878nm/℃。圖1.4(a)光纖凹錐和光纖凹錐級聯(lián)[56]；(b)光纖凸錐+光纖凹錐+光纖凸錐[57]構(gòu)成的光纖馬赫-曾德爾干涉儀


本文編號：3567317